汽車變檔套激光雙工位自動切割加工技術與裝備
背景介紹
2012年11月28日，由華工激光法利萊公司聯合華中科技大學、中航精機科技股份有限公司等單位合作開發的”激光加工在汽車零部件的典型應用與裝備”系列項目順利通過專家組鑒定。武漢科技大學孔建益教授、東風汽車公司黃松總工等省內知名專家及華工科技總裁王中、華工科技專家院士工作站成員段正澄院士、邵新宇教授出席了鑒定會。
此次鑒定包括”汽車座椅調角器激光全自動焊接加工技術與裝備”、”汽車管類零件激光在線高速焊接加工技術與裝備”及 ”汽車變檔套激光雙工位自動切割加工技術與裝備”三個項目。鑒定會委員聽取了項目組所作的工作報告和技術研究報告等，審閱了相關鑒定資料，考察了生產現場，經質詢與認真討論，一致同意此次項目鑒定成果，獲得圓滿通過。
華工激光法利萊公司與華中科技大學合作開發的”汽車變檔套激光雙工位自動切割加工技術與裝備”項目，加工出產的零件為德國大眾汽車配套的變速裝置關鍵零件，原僅為德資奧地利廠商生產。項目設備采用一系列當今世界頂尖技術，使其加工能力及加工質量均超過原產設備，且成本僅為國外的三分之一，得到德方認可。自華工激光法利萊公司批量生產該零件后，德資奧地利廠商已停止該零件的加工。目前，國際上僅有華工激光法利萊公司的設備能加工出產該零件。
汽車工業的發展對車體質量提出了更高的要求。激光切割技術不僅在加工質量方面優于傳統加工方法，而且生產效率也得到顯著提高。激光切割技術飛速發展，其工藝步驟簡單，切割速度快、切縫寬度小、加工質量高、可大幅度降低成本、縮短新車型的研發周期，具有良好的經濟價值和應用前景，在汽車工業中的應用越來越廣泛。
本課題以汽車變檔套為應用對象，研制相關的激光切割加工設備，以替代傳統工藝，提高生產效率，提升自動化程度。采用 CO2 激光器配以相應的導光系統、工裝夾具、上下料系統、控制系統等進行激光切割技術開發，研究實用化的激光切割關鍵技術、工藝、質量檢驗與控制措施，并將各加工制造系統有機集成，實現在線生產，滿足生產能力要求，以加速提高國有汽車零部件制造業生產水平。
1. 引言
目前在許多國外汽車制造公司中，激光切割技術的應用非常普遍，主要用來開發新車型、在線切割、變形車生產，例如切割樣車零件，車身覆蓋件的切孔、修邊，切割方向盤孔、車身擋風板、車頂蓋支架孔、安全氣囊部件、液壓成型部件等。
對于汽車變擋套，國外主要是德國 SITEC（思泰科）激光加工中心生產相關產品，德國思泰科工業技術公司（SITEC）專業從事激光加工設備研發和制造的高科技企業，在歐洲是眾多精密加工生產商的知名合作伙伴。其生產的 LWS 系列激光加工中心應用在德國大眾汽車公司、雪鐵龍公司、西門子 VDO 公司、德爾福等眾多汽車零部件生產公司。國內還未見有汽車變檔套采用激光切割方法的設備。
因此，汽車變檔套激光切割是激光加工應用的新領域。傳統的加工方式是采用沖床，效率不高，精度較低，切割端面有毛邊。采用激光切割方式，可以使切割效率大幅提高，并且精度較高（激光切割表面粗糙度可達Ra6.3~12.5微米），切縫熱影響區小，幾乎無變形，切割質量優秀。
2. 系統介紹
法利萊的裝備采用整體式設計，激光器、外光路、切割頭、四軸聯動、上下料機構均布置其上，提高了整套系統的硬、軟剛性，克服了光路不穩、加工誤差大的缺陷，保證了定光路設計的可靠性，在可靠性上比國外的分體式設計更具優勢。整體設備布局圖如圖1所示。床身部分設計緊湊，占地面積小，放棄了傳統的激光器支架，機床電柜，機床床身三件分離方案，達到更穩定、更可靠、精度更高的目的。采用機械手進行變檔套的上下料，在機械手上安裝快換夾具進行變檔套自動上下料，機械手與切割頭相互配合進行全自動上下料與激光切割，效率更高。
圖1 整體設備布局圖
該設備具有切割頭的X、Y、Z軸運動和切割的旋轉軸C軸四軸聯動功能；在相應夾具配合的情況下，激光設備切割專用的導向套筒功能，工裝夾具如圖2所示；功能區域封閉，并具有工作區域照明功能；配置激光防護罩，保證操作者和設備的安全。
圖2 工裝夾具
3. 工藝研究
在實際生產中，激光切割質量的優劣一般指切割尺寸精度高低和切割端面質量的好壞。目前國際上對激光切割的質量評價還沒有一個統一的標準，一般從以下四個指標進行判斷：切口寬度及表面粗糙度；熱影響區的寬度，有無燒傷；切口斷面的波紋；切口斷面或下表面有無掛渣。
影響激光切割質量的因素很多，除了切割參數和工件本身特性的影響以外，還同照射功率密度、噴嘴直徑和噴嘴與工件表面間距等因素有關。綜合國內外大量的理論研究和實驗分析，影響激光切割質量的主要因素可以分為兩類：一類是加工系統性能和光的影響；另一類是加工材料因素和工藝參數的影響。在影響激光切割質量的諸多因素中，有的是由加工工作臺本身確定的，如機械系統精度、工作臺振動程度等；有的是材料固有的因素，如材料的物理化學性質、材料的反射率等；而還有一些因素是要根據具體的加工對象以及用戶質量的要求做出選擇，進行相應的調整，來確定相關的參數，如輸出功率、焦點位置、切割速度以及輔助氣體壓力等等。因此，對于一個完整的系統，必須對其可控因素與加工質量之間的關系進行深入地研究，在掌握其規律基礎上，采用數控方法進行最優化控制。圖3為變檔套切割成品。
圖3 變檔套切割成品
- 4. 總結
該項目主要成果如下：
（1）整體式設計，激光器、外光路、切割頭、四軸聯動、上下料布置保證了定光路設計的可靠性。
（2）采用獨特的輔助裝置，使用雙工位圓盤上料裝置，提高效率，確保安全,柔性上料底盤補償坯料的尺寸及形狀誤差。
（3）簡單的掛鉤撥叉下料裝置動作精確柔和，避免了國外機型氣缸撞擊(或高壓吹氣)的震動與噪音以及對設備精度的影響，且降低了成本。
（4）夾持機械手根據零件的形狀及誤差特性，采用了四點柔性預定位及契形鎖緊原理，保證了對零件夾持的準確及可靠性。
產品加工精度全部滿足客戶Cmk值要求，屬于加工免檢類設備。變檔套激光切割機采用了一系列當今世界上的頂尖技術，使其加工能力及加工質量均超過德國設備，得到德方的認可，成本僅為國外的三分之一。
